Digitális Rendszerek és Számítógép Architektúrák (BSc államvizsga tétel)

Átírás

1 Pannon Egyetem Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék Digitális Rendszerek és Számítógép Architektúrák (BSc államvizsga tétel) 1. tétel: Neumann és Harvard számítógép architektúrák összehasonlító elemzése - számítógép generációk Összeállította: Vörösházi Zsolt voroshazi@vision.vein.hu

2 Kapcsolódó jegyzet, segédanyag: Könyvfejezetek: Oktatás Tantárgyak Digitális Rendszerek és Számítógép Architektúrák Bevezetés: Számítógép Generációk (chapter01.pdf)

3 Alapfogalmak: A számítógép architektúra a hardver egy általános absztrakciója: a hardver struktúráját és viselkedését jelenti más rendszerek egyedi, sajátos tulajdonságaitól eltekintve Architektúrális tulajdonságok nemcsak a funkcionális elemeket, hanem azok belső felépítését, struktúráját is magába foglalják

4 Exoarchitektúra endoarchitektúra: exoarchitektúra Compiler tervezői aspektus: - utasítás készlet - utasítás regiszterek - címzési módok absztrakció tökéletesítés endoarchitektúra Vezérlő egység tervezői aspektusai: - jelek - komponensek

5 Számítógép architektúra definíciója: felhasználói programok + Operációs rendszerek (OS) Felhasználói szemlélet Exoarchitektúra szintje Hardver rendszer Compiler tervezői szemlélet Endoarchitektúra szintje Egyedi alkatrészek és összeköttetéseik Mikroarchitekrúra szintje Vezérlő egység (CU) Mikrokódot programozó szemlélet

6 Számítógépes rendszerekkel szembeni tervezői követelmények: Aritmetika megtervezése, algoritmusok, módszerek elemzése, hogy a kívánt eredményt elfogadható időn belül biztosítani tudja Utasításkészlet vezérlés A részegységek közötti kapcsolatok / összeköttetések a valós rendszert szemléltetik CFG, DFG a főbb komponensek között Számítógép és perifériák közötti I/O kommunikációs technikák

7 Neumann, Harvard számítógép architektúrák

8 A.) Neumann architektúra Számítógépes rendszer modell: CPU, CU, ALU Egyetlen különálló tárolóelem (utasítás és adat részére) Univerzális Turing gépet implementál Szekvenciális architektúra (SISD)

9 Von Neumann architektúra De Facto szabvány: single-memory architecture. Az adat- és utasítás címek a memória (tároló) ugyanazon címtartományára vannak leképezve (mapping). Ilyen típusú pl: EDVAC (Neumann), egyenletmegoldó tároltprogramú gép Eckert, Mauchly: ENIAC, UNIVAC (University of Pennsylvania) numerikus integrátor, kalkulátor A mai rendszerek modern mini-, mikro, és mainframe számítógépei is ezt az architektúrát követik.

10 Neumann elvek számítógép működését tárolt program vezérli (Turing); a vezérlést vezérlés-folyam (control-flow) segítségével lehet leírni; /lásd vezérlő egység tétel!/ Fontos lépés itt az adatút megtervezése. a gép belső tárolójában a program utasításai és a végrehajtásukhoz szükséges adatok egyaránt megtalálhatók (közös utasítás és adattárolás, a program felülírhatja magát Neumann architektúra definíciója); az aritmetikai és logikai műveletek (programutasítások) végrehajtását önálló részegység (ALU) végzi; /lásd ALU-s tétel!/ az adatok és programok beolvasására és az eredmények megjelenítésére önálló egységek (perifériák) szolgálnak; 2-es (bináris) számrendszer alkalmazása. Pl: EDVAC computer

11 Fix vs. tárolt programozhatóság Korai számítási eszközök fix programmal rendelkeztek (nem tárolt programozható): pl: kalkulátor - Program változtatása: átvezetékezéssel, struktúra újratervezéssel lehetséges csak - Újraprogramozás: folyamat diagram előterv (papíron) részletes mérnöki tervek nehézkes implementáció Tárolt programozhatóság ötlete: + Utasítás készlet architektúra (ISA) + Változtatható program: utasítások sorozata + Nagyfokú flexibilitás, adatot hasonló módon tárolni, és kezelni (assembler, compiler, automata prog. eszk.)

12 Neumann architektúra hátrányai Önmagát változtató programok (self-modifying code): Már eleve hibásan megírt program kárt okozhat önmagában ill. más programokban is: malware = malfunction + sw. OS szinten: rendszer leállás Pl., Buffer túlcsordulás: kezelése hozzáféréssel, memória védelemmel Neumann bottleneck : sávszélesség korlát a CPU és memória között (ezért kellett bevezetni a cache memóriát), amely probléma a nagymennyiségű adatok továbbítása során lépett fel. A nem-cache alapú Neumann rendszerekben, egyszerre vagy csak adat írás/olvasást, vagy csak az utasítás beolvasását lehet elvégezni (egy buszrendszer!)

13 B.) Harvard architektúra Olyan számítógéprendszer, amelynél a programutasításokat és az adatokat fizikailag különálló memóriában tárolják, és külön buszon érhetők el. Eredet: Harvard MARK I. (relés alapú rdsz.) További példák: Intel Pentium processzor család L1- szintű különálló adat- és utasítás-cache memóriája. Ti320 DSP jelfeldolgozó processzorok (RAM, ROM memóriái) - / bővebben a DSP-s fóliákon / Beágyazott (embedded) rendszerek: MicroBlaze, PowerPC (FPGA-n) buszrendszerei, memóriái. Mikrovezérlők (MCU) különálló utasítás-adat buszai és memóriái (PIC-MicroChip, Atmel stb.)

14 Példa: PIC 14-bites mikrovezérlő

15 Harvard arch. tulajdonságai Nem szükséges a memória (shared) osztott jellegének kialakítása: + Szóhosszúság, időzítés, tervezési technológia, memória címzés kialakítása is különböző lehet. Az utasítás (program) memória gyakran szélesebb mint az adat memória (mivel több utasítás memóriára lehet szükség) Utasításokat a legtöbb rendszer esetében ROM-ban tárolják, míg az adatot írható/olvasható memóriában (pl. RAM-ban). + A számítógép különálló buszrendszere segítségével egyidőben akár egy utasítás beolvasását, illetve adat írását/olvasását is el lehet végezni (cache nélkül is).

16 Módosított Harvard architektúra Modern számítógép rendszerekben az utasítás memória és CPU között olyan közvetlen adatutat biztosított, amellyel az utasítás-szót is olvasható adatként lehet elérni. Konstans adat (pl: string, inicializáló érték) utasítás memóriába töltésével a változók számára további helyet spórolunk meg az adatmemóriában Mai modern rendszereknél a Harvard architektúra megnevezés alatt, ezt a módosított változatot értjük. Gépi (alacsony) szintű assembly utasítások

17 Harvard architektúra hátrányai Az olyan egychipes rendszereknél (pl. SoC), ahol egyetlen chipen van implementálva minden funkció nehézkes lehet a különböző memória technológiák használata az utasítások és adatok kezelésénél. Ezekben az esetekben a Neumann architektúra alkalmazása megfelelőbb. A magas szintű nyelveket sem közvetlenül támogatja (nyelvi konstrukció hiánya az utasítás adatként való elérésére) assembler szükséges

18 Harvard Neumann együtt Mai, nagy teljesítményű rendszereknél a kettőt együtt is lehet, kell alkalmazni. Példa: Cache rendszer Programozói szemlélet (Neumann): cache miss esetén a fő memóriából kell kivenni az adatot (cím -> adat) Rendszer, hardver szemlélet (Harvard): a CPU onchip cache memóriája különálló adat- és utasítás cache blokkokból áll.

19 Harvard: MARK I Howard H. Aiken (Harvard University) 1944 Relés alapú aritmetika, mechanikus, korai szgép rendszer. Korlátozott adattároló képesség. (72 db 23 bites decimális számot tárol) Harvard architektúra Lyukszalagon tárolt 24-bites utasítások Elektro-mechanikus fogaskerekes számlálókon tárolt 23 bites adatok Utasítást adatként nem lehetett elérni! 4KW disszipáció, 4.5 tonna, alkatrész: relék, kapcsolók Műveletvégzés: +,-: 1 sec, *: 6 sec, /: 15.3 sec Logaritmus, trigonometrikus fgv. számítás: 1 min

20 MARK I.

21 Neumann: ENIAC 1943: ENIAC: elektromos numerikus integrátor és kalkulátor (Pennsylvania) Mauchly, Eckert elektroncső, mechanikus, kapcsolók Gépi szintű programozhatóság, tudományos célokra Összeadás: 3ms 20 ACC reg. 10 jegyű decimális számra 4 alapművelet + gyökvonás Kártyaolvasó-író Function table: szükséges konstansok tárolása Neumann elvű: közös program/kód és adat

22 ENIAC Card reader Printer and Card Punch Data lines Multiplier Function Tables Divider and square root Logic A1 A2 A20 Control lines Master Control Unit

23 ENIAC

24 Neumann: EDVAC 1945: EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer): egyenletmegoldó elektromos szgép. Neumann János von Neumann architektúra Tárolt programozás 2-es számrendszer 1K elsődleges + 20K másodlagos tároló soros műveletvégzés: ALU utasítások: aritmetikai, i/o, feltételes elágazás EDVAC tanulmány első kivonata [pdf]

25 EDVAC Neumann János

26 Neumann: UNIVAC 1951: UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer I): üzleti/adminisztratív célokra Mauchly, Eckert tervezte 1951-es népszámlálásra, elnökválasztásra 5200 elektroncső,125kw fogyasztás, 2.25MHz 1000 szavas memória, (12 bites adat: 11 digit + 1 előjelbit, 2x6 bites utasítás formátum) Összeadás: 525µs, szorzás: 2150µs BCD, paritás ell., hiba ell.

27 UNIVAC - I